A novel coronavirus SARS-CoV-2, also called novel coronavirus 2019 (nCoV-19), started to circulate among humans around December 2019, and it is now widespread as a global pandemic. The disease caused by SARS-CoV-2 virus is called COVID-19, which is highly contagious and has an overall mortality rate of 6.96% as of May 4, 2020. There is no vaccine or antiviral available for SARS-CoV-2. In this study, we report our discovery of inhibitors targeting the SARS-CoV-2 main protease (Mpro). Using the FRET-based enzymatic assay, several inhibitors including boceprevir, GC-376, and calpain inhibitors II, and XII were identified to have potent activity with single-digit to submicromolar IC50 values in the enzymatic assay. The mechanism of action of the hits was further characterized using enzyme kinetic studies, thermal shift binding assays, and native mass spectrometry. Significantly, four compounds (boceprevir, GC-376, calpain inhibitors II and XII) inhibit SARS-CoV-2 viral replication in cell culture with EC50 values ranging from 0.49 to 3.37 μM. Notably, boceprevir, calpain inhibitors II and XII represent novel chemotypes that are distinct from known Mpro inhibitors. A complex crystal structure of SARS-CoV-2 Mpro with GC-376, determined at 2.15 Å resolution with three monomers per asymmetric unit, revealed two unique binding configurations, shedding light on the molecular interactions and protein conformational flexibility underlying substrate and inhibitor binding by Mpro. Overall, the compounds identified herein provide promising starting points for the further development of SARS-CoV-2 therapeutics.

Abstract The lithium (Li)‐metal anode offers a promising solution for high‐energy‐density lithium‐metal batteries (LMBs). However, the significant volume expansion of the Li metal during charging results in poor cycling stability as a result of the dendritic deposition and broken solid electrolyte interphase. Herein, a facile one‐step roll‐to‐roll fabrication of a zero‐volume‐expansion Li‐metal‐composite anode (zeroVE‐Li) is proposed to realize high‐energy‐density LMBs with outstanding electrochemical and mechanical stability. The zeroVE‐Li possesses a sandwich‐like trilayer structure, which consists of an upper electron‐insulating layer and a bottom lithiophilic layer that synergistically guides the Li deposition from the bottom up, and a middle porous layer that eliminates volume expansion. This sandwich structure eliminates dendrite formation, prevents volume change during cycling, and provides outstanding flexibility to the Li‐metal anode even at a practical areal capacity over 3.0 mAh cm −2 . Pairing zeroVE‐Li with a commercial NMC 811 or LCO cathode, flexible LMBs that offer a record‐breaking figure of merit (FOM, 45.6), large whole‐cell energy density (375 Wh L −1 , based on the volume of the anode, separator, cathode, and package), high‐capacity retention (> 99.8% per cycle), and remarkable mechanical robustness under practical conditions are demonstrated.

Abstract The main protease (M pro ) of SARS-CoV-2, the pathogen responsible for the COVID-19 pandemic, is a key antiviral drug target. While most SARS-CoV-2 M pro inhibitors have a γ-lactam glutamine surrogate at the P1 position, we recently discovered several M pro inhibitors have hydrophobic moieties at the P1 site, including calpain inhibitors II/XII, which are also active against human cathepsin L, a host-protease that is important for viral entry. To determine the binding mode of these calpain inhibitors and establish a structure-activity relationship, we solved X-ray crystal structures of M pro in complex with calpain inhibitors II and XII, and three analogues of GC-376 , one of the most potent M pro inhibitors in vitro . The structure of M pro with calpain inhibitor II confirmed the S1 pocket of M pro can accommodate a hydrophobic methionine side chain, challenging the idea that a hydrophilic residue is necessary at this position. Interestingly, the structure of calpain inhibitor XII revealed an unexpected, inverted binding pose where the P1’ pyridine inserts in the S1 pocket and the P1 norvaline is positioned in the S1’ pocket. The overall conformation is semi-helical, wrapping around the catalytic core, in contrast to the extended conformation of other peptidomimetic inhibitors. Additionally, the structures of three GC-376 analogues UAWJ246 , UAWJ247 , and UAWJ248 provide insight to the sidechain preference of the S1’, S2, S3 and S4 pockets, and the superior cell-based activity of the aldehyde warhead compared with the α-ketoamide. Taken together, the biochemical, computational, structural, and cellular data presented herein provide new directions for the development of M pro inhibitors as SARS-CoV-2 antivirals.

Abstract As the COVID-19 pandemic continues to fold out, the morbidity and mortality are increasing daily. Effective treatment for SARS-CoV-2 is urgently needed. We recently discovered four SARS-CoV-2 main protease (M pro ) inhibitors including boceprevir, calpain inhibitors II and XII and GC-376 with potent antiviral activity against infectious SARS-CoV-2 in cell culture. Despite the weaker enzymatic inhibition of calpain inhibitors II and XII against M pro compared to GC-376, calpain inhibitors II and XII had more potent cellular antiviral activity. This observation promoted us to hypothesize that the cellular antiviral activity of calpain inhibitors II and XII might also involve the inhibition of cathepsin L in addition to M pro . To test this hypothesis, we tested calpain inhibitors II and XII in the SARS-CoV-2 pseudovirus neutralization assay in Vero E6 cells and found that both compounds significantly decreased pseudoviral particle entry into cells, indicating their role in inhibiting cathepsin L. The involvement of cathepsin L was further confirmed in the drug time-of-addition experiment. In addition, we found that these four compounds not only inhibit SARS-CoV-2, but also SARS-CoV, MERS-CoV, as well as human coronaviruses (CoVs) 229E, OC43, and NL63. The mechanism of action is through targeting the viral M pro , which was supported by the thermal shift binding assay and enzymatic FRET assay. We further showed that these four compounds have additive antiviral effect when combined with remdesivir. Altogether, these results suggest that boceprevir, calpain inhibitors II and XII, and GC-376 are not only promising antiviral drug candidates against existing human coronaviruses, but also might work against future emerging CoVs.

Abstract Almost all animals and plants are inhabited by diverse communities of microorganisms, the microbiota, thereby forming an integrated entity, the metaorganism. Natural selection should favor hosts that shape the community composition of these microbes to promote a beneficial host-microbe symbiosis. Indeed, animal hosts often pose selective environments, which only a subset of the environmentally available microbes are able to colonize. How these microbes assemble after colonization to form the complex microbiota is less clear. Neutral models are based on the assumption that the alternatives in microbiota community composition are selectively equivalent and thus entirely shaped by random population dynamics and dispersal. Here, we use the neutral model as a null hypothesis to assess microbiata composition in host organisms, which does not rely on invoking any adaptive processes underlying microbial community assembly. We show that the overall microbiota community structure from a wide range of host organisms, in particular including previously understudied invertebrates, is in many cases consistent with neutral expectations. Our approach allows to identify individual microbes that are deviating from the neutral expectation and which are therefore interesting candidates for further study. Moreover, using simulated communities we demonstrate that transient community states may play a role in the deviations from the neutral expectation. Our findings highlight that the consideration of neutral processes and temporal changes in community composition are critical for an in-depth understanding of microbiota-host interactions.

ABSTRACT Understanding how genetic variants impact molecular phenotypes is a key goal of functional genomics, currently hindered by reliance on a single haploid reference genome. Here, we present the EN-TEx resource of personal epigenomes, for ∼25 tissues and >10 assays in four donors (>1500 open-access functional genomic and proteomic datasets, in total). Each dataset is mapped to a matched, diploid personal genome, which has long-read phasing and structural variants. The mappings enable us to identify >1 million loci with allele-specific behavior. These loci exhibit coordinated epigenetic activity along haplotypes and less conservation than matched, non-allele-specific loci, in a fashion broadly paralleling tissue-specificity. Surprisingly, they can be accurately modelled just based on local nucleotide-sequence context. Combining EN-TEx with existing genome annotations reveals strong associations between allele-specific and GWAS loci and enables models for transferring known eQTLs to difficult-to-profile tissues. Overall, EN-TEx provides rich data and generalizable models for more accurate personal functional genomics.

Abstract The papain-like protease (PL pro ) of SARS-CoV-2 is a validated antiviral drug target. PL pro is involved in the cleavage of viral polyproteins and antagonizing host innate immune response through its deubiquitinating and deISG15ylating activities, rendering it a high profile antiviral drug target. Through a FRET-based high-throughput screening, several hits were identified as PL pro inhibitors with IC 50 values at the single-digit micromolar range. Subsequent lead optimization led to potent inhibitors with IC 50 values ranging from 0.56 to 0.90 µM. To help prioritize lead compounds for the cellular antiviral assay against SARS-CoV-2, we developed the cell-based FlipGFP assay that is suitable for quantifying the intracellular enzymatic inhibition potency of PL pro inhibitors in the BSL-2 setting. Two compounds selected from the FlipGFP-PL pro assay, Jun9-53-2 and Jun9-72-2, inhibited SARS-CoV-2 replication in Caco-2 hACE2 cells with EC 50 values of 8.89 and 8.32 µM, respectively, which were 3-fold more potent than GRL0617 (EC 50 = 25.1 µM). The X-ray crystal structures of PL pro in complex with GRL0617 showed that binding of GRL0617 to SARS-CoV-2 induced a conformational change in the BL2 loop to the more closed conformation. Overall, the PL pro inhibitors identified in this study represent promising starting points for further development as SARS-CoV-2 antivirals, and FlipGFP-PL pro assay might be a suitable surrogate for screening PL pro inhibitors in the BSL-2 setting.

Summary Transcription factors are among the most attractive therapeutic targets but are considered largely undruggable due to the intrinsically disordered nature of their activation domains. Here we show that the aromatic character of the activation domain of the androgen receptor, a therapeutic target for castration resistant prostate cancer, is key for its activity as a transcription factor by allowing it to partition into transcriptional condensates. Based on this knowledge we optimized the structure of a small molecule inhibitor, previously identified by phenotypic screening, that targets a specific transactivation unit within the domain that is partially folded and rich in aromatic residues. The optimized compounds had more affinity for their target, inhibited androgen receptor-dependent transcriptional programs, and had antitumorigenic effect in models of castration-resistant prostate cancer in cells and in vivo . These results establish a generalizable framework to target small molecules to the activation domains of oncogenic transcription factors and other disease-associated proteins with therapeutic intent.

Abstract SARS-CoV-2 main protease (M pro ) is one of the most extensive exploited drug targets for COVID-19. Structurally disparate compounds have been reported as M pro inhibitors, raising the question of their target specificity. To elucidate the target specificity and the cellular target engagement of the claimed M pro inhibitors, we systematically characterize their mechanism of action using the cell-free FRET assay, the thermal shift-binding assay, the cell lysate Protease-Glo luciferase assay, and the cell-based Flip-GFP assay. Collectively, our results have shown that majority of the M pro inhibitors identified from drug repurposing including ebselen, carmofur, disulfiram, and shikonin are promiscuous cysteine inhibitors that are not specific to M pro , while chloroquine, oxytetracycline, montelukast, candesartan, and dipyridamole do not inhibit M pro in any of the assays tested. Overall, our study highlights the need of stringent hit validation at the early stage of drug discovery. Graphical abstract Flip-GFP and Protease-Glo luciferase assays, coupled with the FRET and thermal shift binding assays, were applied to validate the reported SARS-CoV-2 M pro inhibitors.

Abstract The CRISPR RNA-guided endonucleases Cas9, and Cas9-derived adenine/cytosine base editors (ABE/CBE), have been used in both research and therapeutic applications. However, broader use of this gene editing toolbox is hampered by the great variability of efficiency among different target sites. Here we present TRAP-seq, a versatile and scalable approach in which the CRISPR gRNA expression cassette and the corresponding surrogate site are captured by T argeted R eporter A nchored P ositional Seq uencing in cells. TRAP-seq can faithfully recapitulate the CRISPR gene editing outcomes introduced to the corresponding endogenous genome site and most importantly enables massively parallel quantification of CRISPR gene editing in cells. We demonstrate the utility of this technology for high-throughput quantification of SpCas9 editing efficiency and indel outcomes for 12,000 gRNAs in human embryonic kidney cells. Using this approach, we also showed that TRAP-seq enables high throughput quantification of both ABE and CBE efficiency at 12,000 sites in cells. This rich amount of ABE/CBE outcome data enable us to reveal several novel nucleotide features (e.g. preference of flanking bases, nucleotide motifs, STOP recoding types) affecting base editing efficiency, as well as designing improved machine learning-based prediction tools for designing SpCas9, ABE and CBE gRNAs of high efficiency and accuracy (>70%). We have integrated all the 12,000 CRISPR gene editing outcomes for SpCas9, ABE and CBE into a CRISPR-centered portal: The Human CRISPR Atlas. This study extends our knowledge on CRISPR gene and base editing, and will facilitate the application and development of CRISPR in both research and therapy.